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美國航空航天局在火星科學(xué)實驗室航天任務(wù)中打造了一輛配備*技術(shù)的探測車，它就是家喻戶曉的“好奇號”。這項航天任務(wù)是航天機構(gòu)有史以來技術(shù)較為復(fù)雜的項目。項目的研發(fā)和測試工作是使用西門子的設(shè)計和模擬軟件完成的，它為正在機器領(lǐng)域嶄露頭角的無縫通信——真實世界與虛擬世界的融合——提供了寫照。

在極寒的外太空運行36周，行程長達(dá)5.67億公里，飛行速度超過7.6萬公里/小時，而這些都只是長征的*步。2012年8月5日，當(dāng)造價25億美元、重900公斤、一輛小型轎車大小的火星科學(xué)實驗室（MSL）探測車穿梭到火星大氣中時，它還在以2.1萬公里/小時的高速向前飛行。那時它必須在七分鐘內(nèi)減速到2公里/小時以下的著陸速度，如若不然，探測車將與火星相撞，毀于一旦。

為使探測車能平穩(wěn)著陸，防止為尋找生命化學(xué)成分而設(shè)計的裝備受損，探測車必須分毫不差地執(zhí)行數(shù)百個步驟的復(fù)雜操作，并且整個過程沒有人工干預(yù)。面對這樣一個難題，工程師是如何解決的？要知道，地球大氣的密度比火星高出100倍，所以不可能在地球上測試這個過程。西門子工業(yè)自動化集團PLM（產(chǎn)品生命周期管理）業(yè)務(wù)部總裁兼*執(zhí)行官Chuck Grindstaff指出：“美國航空航天局的噴射推進實驗室利用我們的模擬軟件完成了系統(tǒng)各個方面的設(shè)計。從熱分析到探測車進入火星大氣時可能會遇到的多種物理影響，我們的軟件在攻克這一切問題的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。”

2012年8月，“好奇號”登陸火星，開始執(zhí)行火星表面探測任務(wù)。整個系統(tǒng)用西門子模擬軟件完成開發(fā)和測試。

Daren Rhoades是西門子PLM軟件加利福尼亞州Cypress研發(fā)中心的一名產(chǎn)品開發(fā)高級經(jīng)理，不久前剛剛結(jié)束在美國國家航空航天局的MSL（“好奇號”）航天任務(wù)研發(fā)小組的任務(wù)。他介紹說：“在我參與的一些子系統(tǒng)的研發(fā)過程中，通過利用模擬技術(shù)，一切都可以在虛擬世界中完成，從概念設(shè)計到詳細(xì)的部件設(shè)計，從組裝到測試，全都可以模擬。”比如美國航空航天局稱之為“驚險7分鐘”的MSL著陸順序，這個性命攸關(guān)的安排就是經(jīng)過8000次模擬之后得出的方案。“從模擬走向?qū)嶋H部署，這種能力具有相當(dāng)重要的意義。” Rhoades如是道。

確實如此。比如為“好奇號”專門設(shè)計的“空中吊車”，這個全新研發(fā)的系統(tǒng)可以在探測車降落的最后階段減慢探測車的速度，使其緩緩地降落到火星表面。研究人員利用PLM軟件對“空中吊車”火箭引擎的火苗擴散情況進行了模擬，以確?；鹈绮粫C壞探測車或用于固定探測車的套具。“不僅吊索要能分毫不差地降下探測車，確保探測車不會受到火苗干擾，同時還有一條類似于臍帶的線纜連接著探測器和吊車，在分離時間點上吊車升起的時候才會斷開。所有這些線纜都必須同時斷開。為實現(xiàn)這一點，我們布置了很多小型切割器，它們必須同時切斷所有線纜。上述這些過程都是通過我們的軟件來模擬的。”負(fù)責(zé)美國航空航天局項目的PLM客戶主管Joel Rooks介紹道。

復(fù)雜性也是一個主要問題。整個裝配組合包含約9萬個專門制造的部件，其中很多部件與設(shè)計規(guī)格的容差只有100微米——大約相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑。更苛刻的是，為盡量避免浪費空間，這些部件必須合攏到一個極其擁擠的包中，但是同時又要留出發(fā)射和返回時劇烈晃動的擺動空間，以及在高達(dá)1648℃的溫差下不同材料的熱脹冷縮空間。“要設(shè)計可以如此緊湊布置的部件，需要新的功能和技術(shù)。”美國航空航天局火星探測計劃負(fù)責(zé)人Doug McCuistion表示，“我們采用了西門子的很多系統(tǒng)，來幫助我們完成這些工作。”

“驚險七分鐘”。用吊索將探測車降落到火星表面是特別精細(xì)的任務(wù)。研究人員對著陸階段進行了8000次模擬。

“在系統(tǒng)所有部件的設(shè)計中，非常重要的是確保不同部件不會接觸到其他部件，因為這種接觸可能會導(dǎo)致部件受損。”PLM解決方案部的顧問Kent Rash介紹道，“鑒于每個部件涉及不同的材料，確保做到這一點的 方法，就是針對每個部件構(gòu)建一個有限元素模型。利用這種方法，我們將復(fù)雜的表面劃分成很小的元素，然后根據(jù)元素之間的關(guān)系來計算元素。”

從模型到生產(chǎn)——這正是西門子PLM主要軟件工具NX的用武之處。NX可以讓用戶將模型變?yōu)閷嶋H的產(chǎn)品——它不僅可以生成CAD（計算機輔助設(shè)計）模型，而且還利用計算機輔助工程（CAE）軟件，在設(shè)計中套入相關(guān)功能和物理數(shù)據(jù)，比如根據(jù)部件的原材料，它可以耐受多大的應(yīng)力或熱度?？紤]到機器中的很多部件根據(jù)設(shè)計原理都會運動并相互作用，NX還可以執(zhí)行人們所說的“動態(tài)模擬”。通過這種模擬，工程師可以“在仿真環(huán)境下對各種規(guī)模的裝配組合進行動態(tài)測試，比如模擬測試探測器著陸，然后計算出著陸時對整個探測器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力。” Rhoades介紹道，“首先要為部件構(gòu)建一個虛擬的原始NX CAD模型，定義用于生產(chǎn)這個部件的工具，然后以在有限元分析中使用的原始CAD模型為基礎(chǔ)，用NX CAM軟件運行機器。”上述方法具有諸多優(yōu)勢，而對于造價數(shù)十億美元的航天器而言，其中較有意義的優(yōu)勢莫過于精確性。“采用數(shù)字模型，并配合計算機數(shù)控（CNC），可以使部件生產(chǎn)實現(xiàn)超高精度。” Rhoades補充道，“MSL制造出來以后，很多部件的誤差都沒超過頭發(fā)絲的直徑。”

連通人員……及企業(yè)。復(fù)雜的項目不僅要求使用出色的模擬軟件，而且需要一個有利于大規(guī)模工程師團隊中的成員在同一項目上無障礙合作的系統(tǒng)。若談到“連通人員”，西門子PLM的Teamcenter軟件可謂首屈一指的解決方案。“Teamcenter是貫穿整個工程設(shè)計流程的關(guān)鍵支持系統(tǒng)。” 西門子PLM*執(zhí)行官Grindstaff透露，“這個軟件提供了需求管理、項目管理和合規(guī)等方面的一系列應(yīng)用，它是整個設(shè)計流程的支柱。”正如NX一樣，Teamcenter不僅在美國航空航天局的噴射推進實驗室航天任務(wù)中發(fā)光發(fā)熱，它還被SpaceX所采用，2012年5月SpaceX創(chuàng)造了航天史上的奇跡，其“神龍?zhí)?rdquo;（Dragon）航天飛船成為與國際空間站成功對接的私人商業(yè)飛船。

美國航空航天局和SpaceX等機構(gòu)為何會看中Teamcenter？“原因很簡單。” Rhoades說道，“因為航天飛船的每個部件都十分重要。Teamcenter不僅確保所有授權(quán)工作人員只能看到其當(dāng)前用到的項目數(shù)據(jù)，從而最大限度減少人為錯誤，同時還可以追蹤每個部件的原始設(shè)計、分析數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)。當(dāng)一份設(shè)計通過審批后可以投產(chǎn)時，Teamcenter會將其予以記錄。所有這些將帶來非?？捎^的潛在節(jié)支效果。”

不足為奇的是，航天機構(gòu)并不是看重虛擬化模型設(shè)計和協(xié)作開發(fā)所帶來的競爭優(yōu)勢的用戶。“我們有7萬家客戶。”Grindstaff透露，他還指出西門子PLM軟件在全球市場的年營業(yè)額達(dá)200億美元，并且這個數(shù)字每年還在以5%到7%的速度增長。“在協(xié)作技術(shù)和數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域，我們擁有*優(yōu)勢。在數(shù)字化生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，我們擁有*優(yōu)勢，在機械CAD/CAM領(lǐng)域，我們同樣是排名第二的強勁競爭者。”

整套設(shè)備包含約9萬個部件，其中很多與設(shè)計規(guī)格的容差只有100微米，大約相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑。

與此同時，西門子也在乘勝追擊，爭取獲得更大大額合同。西門子近期與波音公司簽署了為期十年的協(xié)議，擴展PLM技術(shù)的應(yīng)用范圍。此外，西門子還與戴姆勒公司簽署了一份全球性協(xié)議，后者將在其所有產(chǎn)品開發(fā)及生產(chǎn)部門引進Teamcenter和NX平臺。“引進研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)協(xié)作軟件，將進一步優(yōu)化戴姆勒的整個價值鏈，讓它更快地生產(chǎn)更好的產(chǎn)品。” Grindstaff介紹道。此外，西門子近期還與克萊斯勒和江森自控簽署了大額合同。前者是全球十大一級汽車供應(yīng)商之一，后者是汽車行業(yè)中最大的座椅供應(yīng)商。

令人嘆為觀止的優(yōu)勢。西門子之所以能取得如此驕人的成績，是因為西門子PLM軟件可以幫助客戶削減成本，提升效率。舉例而言，據(jù)Grindstaff透露，三星電子公司在工廠中引進PLM技術(shù)后，其實物模型的數(shù)量減少了30%，從而使*試產(chǎn)的錯誤率降低50%，研發(fā)速度提高30%。

那么美國航空航天局在其的火星探測器項目上究竟提高了多少效率？Rhoades表示由于MSL不同于在地球上使用的產(chǎn)品 ，因此無法去量化這個幅度。“這并不是說它原來有兩噸重，然后把它減到一噸，不能這樣衡量。”他說。不過可以確定的是，“好奇號”/MSL航天任務(wù)為從概念設(shè)計到生產(chǎn)和測試的*集成樹立了新標(biāo)準(zhǔn)。西門子工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域*執(zhí)行官兼西門子管理委員會成員Siegfried Russwurm表示：“過去各種過程是按順序執(zhí)行的。美國航空航天局在火星探測車的研發(fā)過程中實現(xiàn)了模式轉(zhuǎn)變，建立了集成化數(shù)據(jù)庫，從產(chǎn)品設(shè)計到生產(chǎn)設(shè)計，均采用一種整合的方式。數(shù)百名工程師使用統(tǒng)一的模型，共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，通過這個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，真正實現(xiàn)了從仿真到實際生產(chǎn)的無縫對接。”

PLM主管Rooks補充說：“MSL是美國航空航天局有史以來技術(shù)較為復(fù)雜的項目。重要的是，我們的工具幫助他們完成了所有模擬和優(yōu)化。當(dāng)他們對探測車進行測試并把它發(fā)射到火星的時候，一切順利。”

Arthur F. Pease

不確定性量化：模擬科學(xué)的下一步發(fā)展

無論是向火星發(fā)射飛船，還是乘坐高鐵穿越歐洲，總會有無數(shù)的事情基本上是無從預(yù)測的。這些都可以歸結(jié)為一個不可辯駁的因素：不確定性。那么何不嘗試對不確定性本身進行量化？西門子中央研究院的兩位模擬技術(shù)和數(shù)學(xué)專家Utz Wever博士和Meinhard Paffrath博士，目前就在開展相關(guān)研究。他們的研究重點是列車輪組。“輪組，包括輪軸，是決定列車安全與否的首要因素。”Wever說道，“同時鐵路公司的維修成本有很大一部分也是花在輪組上。”有鑒于此，研究人員在研發(fā)一種排查這些重要部件的新方法，即虛擬檢測。通常情況下，檢測依靠超聲波來判斷是否存在裂痕。如果檢測出裂痕，便將出現(xiàn)裂痕的部件報廢。然而，在設(shè)定了裂痕下限的檢測中，檢測到裂痕的概率本身就是個隨機因素，因此很多時候檢測并不會發(fā)現(xiàn)任何問題。畢竟，導(dǎo)致出現(xiàn)裂痕的因素（例如載重、車速和溫度）會不斷變化。“我們的方法*不同。”Wever介紹道，“我們首先要預(yù)測裂痕的尺寸，這樣只有在檢測到裂痕的概率足夠高時，才會執(zhí)行檢測，從而節(jié)約檢測成本。” Paffrath還介紹說：“為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們目前正在計算固定檢測周期檢測到故障的概率。”針對這項計算，Wever和Paffrath首先使用了Fraunhofer Institute的一個程序。該程序可以在不考慮不確定性和檢測的情況下計算裂痕的惡化程度。然后他們“向這個程序中添加復(fù)雜的算法，使其能夠計算不同檢測情形檢測到故障的概率。”結(jié)果如何？新研發(fā)的軟件目前正在奧地利格拉茨的西門子鐵路系統(tǒng)集團接受試驗評估。“我們現(xiàn)在能夠預(yù)測裂痕的尺寸，檢測工作成本高昂，但有些檢測是不必要的，我們的計算可以減小此類檢測的不確定性。” Wever說，“然后，我們會將實際檢測的結(jié)果與我們的預(yù)測加以比較。初步結(jié)果十分樂觀。”